【深度】美國2020火星車發射升空，中美阿三國探火大戰正式打響！

來源｜原創：跆拳道大灰狼 轉載於航天愛好者網 本文創作於2020.7.30

阿聯（火箭為日本）、中國、美國的火星火箭均已完成使命！

主頁君說

伴隨著宇宙神5號火箭的轟鳴聲，NASA今年最重要的深空探測任務——「毅力號」核動力火星車緊隨我國的「天問一號」探測器，踏上了奔向火星的路途。後續的火星著陸（EDL）「暗戰」將在中美之間展開，恰似當今世界形勢，可見航天是國家實力的延伸之言不虛。美方選手是經驗豐富的噴氣推進實驗室（JPL），中方選手是在火星探測上初露鋒芒的中國航天科技集團。正所謂知己知彼，今天我們好好聊聊NASA的毅力號。

本文作者：不會遊泳的魚，本號授權發表，全文約一萬字

今天的主角——毅力號火星車

1 概述

美國於東部時間2020年7月30日，由「宇宙神-V」火箭執行「火星2020」發射任務。如果本次任務成功，「火星2020」[本次任務名稱為「火星2020」（Mars2020），攜帶的火星車名稱為「毅力號」（Perseverance）]將是美國火星探測史上第9次火星著陸任務（不含1次失敗任務），其攜帶的「毅力號」是美國第5輛火星車。

回顧火星探測發展歷程，「毅力號」是繼「索傑納」（1996年）和「勇氣號」/「機遇號」（2003年）之後，與「好奇號」同屬美國第三代火星車，其發展歷程大致經歷了如下幾個階段：

（1）第一階段（1970年-1980年）：該階段典型的探測器為「海盜-1/-2」。「海盜」號成功完成了軟著陸任務，在火星表面持續工作分別超過了3年和6年，拍攝了上百張照片，進行了氣象測量，完成土壤取樣和土壤分析，所有這一切都是20世紀70年代令人矚目的成就。不僅如此，它70度半錐角氣動外形、氣囊式著陸技術、降落傘技術為美國後續的著陸任務奠定了堅實的基礎。

海盜號模型，前景人為卡爾·薩根

（2）第二階段（1990年-2010年）：「火星探路者」是該階段首個成功的火星表面巡視任務。雖然攜帶的火星車——「索傑納」質量只有10.5kg，但是它在將技術與科學目標相結合，著陸器與漫遊車相結合方面取得了巨大的成功。進入新世紀後，另一個探索項目也取得了舉世矚目的成就，即「勇氣號」和「機遇號」。它們表現十分出色，最初設計壽命僅為90火星日（24小時39分鐘，和地球基本一樣），行程600m，然而「勇氣號」工作到2010年，在火星表面工作了2208個火星日。「機遇號」竟然持續工作到2019年，在火星表面工作長達5352個火星日。

火星探路者在測試中（電池板上小車），JPL標誌清晰可見

（3）第三階段（2011年-至今）：「好奇號」是繼「索傑納」和「勇氣號」/「機遇號」之後第三代火星車，標誌著人類火星表面巡視任務由百公斤量級進入了上千公斤量級。「毅力號」將為未來火星取樣返回和載人登陸火星奠定基礎。

「火星2020」是美國國家研究委員會（NRC）在「十年調查」報告中推薦的最高優先級的旗艦型任務。本文將從科學目標、探測器方案，以及任務階段等幾個方面詳細闡述「火星2020」任務。

勇氣號（又稱精神號）在測試期間

2 任務目標和著陸點

2.1 任務目標

「火星2020」任務主要包括以下四大科學目標：

（1）尋找火星存在生命的跡象

探索火星遠古時期環境，進一步揭開火星地質演變過程與地質歷史之謎，並評估火星的宜居性。重點研究火星表面環境，在遠古時代火星環境中形成的巖石樣品中尋找保存下來的生物跡象，這些巖石環境可能有利於微生物生存。這是人類第一次旨在尋找過去微生物生命跡象的火星車任務。

（2）尋找潛在的生物標記物

評估生物標記物保存的可能性，並尋找可能的生物標記物，可以幫助確認火星是否存在過生命。生物標記物是由生物作用產生的物質或痕跡，例如幾乎不可能在沒有生命存在的環境下形成複雜的有機分子。生物標記物不可能孤立地出現，一般會和相關的環境緊密聯繫在一起，因此尋找生物標記物也對評估環境有著重要的作用。

（3）為獲火星採樣返回做技術積累

通過軌道探測和原位探測，大大加深了對於火星的認識，但是一些非常重要的科學問題，如精確定年、尋找生命、重建環境演化歷史（地表、水下、還原、氧化）和地質事件（火山灰的沉降、熔巖流動、斷層活動、巖脈充填），都需要通過對帶回的樣品進行深入的研究才能解決。然而火星採樣返回是一項非常具有挑戰的任務，基於經費和技術的限制，「火星2020」任務只是整個採樣返回任務的第一步，驗證新的技術，並為帶回樣品的後續任務提供技術積累。

（4）為載人火星探測做好準備

「火星2020」任務主要從以下3個方面支持未來載人火星探測任務：1）任務設計，如通過對火星大氣密度和風的研究改進現有的火星進入、下降和著陸技術等；2）人員的生命安全，如行星際航行和火星表面的輻射、有毒物質（如塵埃）或可能的地外生命的威脅；3）任務的實施，如避免汙染火星的特定區域，以及避免火星塵埃導致電子設備的故障等。

2.2 著陸點的選擇

經過3次著陸區選擇研討會，從上百個候選著陸區遴選出3個：Jezero撞擊坑、NESyrtis與ColunmbiaHills（Gusev），分別代表了可能的湖泊環境（Jezero）、地下熱液環境（NESyrtis）和地表熱泉環境（ColunmbiaHill），都很可能孕育過生命。最終，傑澤羅（Jezero）隕石坑（18.8°N，77.5°E）勝出。

Jezero位於大瑟提斯（SyrtisMajor）火山的東部，直徑約45km，在遠古時期很可能是一個湖泊。匯入其中的河流經過了大面積區域，攜帶了不同地區的沉積物，在撞擊坑內堆積形成了兩個三角洲，並出露了非常明顯的層狀沉積結構。

圖1 傑澤羅（Jezero）隕石坑

3 「火星2020」探測器設計方案

「火星2020」探測器系統由巡航級、下降級、減速器和火星車等組成，此外還包括一架用於技術驗證的火星直升飛機。

3.1 進入、下降及著陸（EDL）系統

「火星2020」的進入、下降及著陸（EDL）沿用了「好奇號」的三級減速（氣動外形減速、降落傘、反推發動機）+空中吊車緩衝的著陸方式。結構上包括：氣動外形減速器、降落傘、下降級，以及空中吊車。氣動外形減速器由一個背罩和隔熱罩組成，可以保護火星車免受進入火星大氣層時所經歷的高溫。下降級通過反推發動機減速，並將火星車安全送到地面。

圖2「火星2020」EDL系統

3.2 「毅力號」火星車

「毅力號」是美國火星探測歷史上第5輛火星車，之前分別是：「索傑納」（1996）、「勇氣號」/「機遇號」（2003）、「好奇號」（2011）。從質量上來看，大小和「好奇號」相當，尺寸為3m*2.7m*2.2m，「毅力號」質量約1025kg（含機械臂45kg），機械臂長約2.1m。從性能上來看，「毅力號」和「好奇號」屬於同一代火星車，相比「索傑納」和「勇氣號」/「機遇號」有了很大的提升。

移動系統：

「毅力號」的移動系統繼承了傳統的六輪搖臂-轉向架火星車結構，這種設計因其卓越的穩定性和障礙攀爬能力而成為成熟的機動裝置應用方案。早在「索傑納」開始，JPL就設計了這種移動結構，「勇氣號」和「機遇號」在性能上做了改進，「好奇號」和「毅力號」則沿用至今。與「好奇號」一樣，輪子採用輕質鋁合金材質，都專門設計了凸起的花紋以適應為火星崎嶇地形，但比「好奇號」的更窄、更高。

圖3 試驗中的「毅力號」火星車

電源系統。為了確保火星車能夠在極端環境下工作（如火星沙塵暴），「毅力號」沿用了「好奇號」的多任務同位素熱電發生器（MMRTG）。在任務初期，MMRTG可產生110W的能量。此外，還配備了2個鋰離子儲能電池。

圖4 安裝在「毅力號」上的MMRTG

通信系統：

在巡航段期間的前2個月，「火星2020」利用位於氣動外形背罩上的低增益天線（LGA）與地球進行通信。隨著飛行距離逐漸遠離地球，則改用巡航級上的中增益天線（MGA）對地通信。

在EDL階段，採用的是3個UHF天線通信中繼通信。在進入火星大氣層前幾分鐘，安裝在背罩上的UHF天線開始工作，直至背罩與下降級分離；之後，安裝在下降級上的UHF天線開始工作；到達火星表面後，「毅力號」火星車上的UHF天線開始工作。在著陸期間，UHF天線將數據傳輸至在軌的MRO和MAVEN軌道器，MRO再將EDL數據實時傳輸至地面站。

與此同時，EDL期間還採用X波段低增益天線對地直接通信。EDL開始時，位於背罩上的PLGA開始工作；當進入火星大氣層執行進入制導模式時，位於背罩上的TLGA天線開始工作；當背罩分離後，下降級上的DLGA開始工作。

圖5 「火星2020」天線的布局圖

機械臂：

與「好奇號」類似，「毅力號」的機械臂長約2m。在機械臂的末段，安裝了一個機械臂手（Turret）。然而，由於攜帶了2臺科學儀器（SHEROLC和POLX，詳見3.2節）和1臺用於近距離成像的相機，「毅力號」的機械臂手更重（約45kg）。

樣本獲取、存儲及封裝。機械臂手具有更強大的巖石鑽取功能，可將巖石樣本收集在樣本管（SampleTube）內。再將封裝好後的樣本管安放在樣本緩存裝置（Cache）中。之後，將樣本緩存裝置存儲在在軌容器中（OrbitingSampleContainer），擇機返回地球。

圖6 樣本緩存裝置

視覺系統。「毅力號」是迄今為止攜帶相機數量最多的行星際探測任務，共攜帶了23臺相機。其中，19臺安裝在火星車上，3臺安裝在背罩上，1臺安裝在下降級上，2臺在火星直升機上。

• 火星車相機包括：其中9臺工程相機（彩色）；3臺EDL相機（1臺地形相對導航黑白相機，2臺彩色EDL相機）；2臺桅杆變焦相機；1臺超級相機（彩色）；2臺SHERLOC相機（彩色）；1臺PIXL相機（具有部分彩色能力的黑白相機）；1臺MEDA相機（黑白）；
• 背罩上的相機包括：3臺用於拍攝降落傘展開的彩色相機（向上看）；
• 下降級上的相機包括：1臺從下降級上拍攝火星車的彩色相機（向下看）；
• 火星直升機相機：1臺彩色地形成像相機，1臺黑白導航相機。

圖7 「毅力號」攜帶的視覺系統

3.3 火星車上的科學儀器

「毅力號」火星車攜帶了7臺科學儀器，質量約為59kg，在火星上進行前所未有的科學和技術試驗。下圖展示了科學儀器的部署位置。

圖8 「毅力號」火星車七臺科學儀器部署位置

（1）桅杆變焦相機（MastCam-Z）

桅杆變焦相機（MastCam-Z）是「毅力號」火星車的主成像系統，它具有全景和三維立體成像功能，並且具有變焦功能，可遠距離對火星表面物體進行變焦放大。

兩個桅杆變焦相機（MastCam-Z）安裝在「毅力號」火星車的桅杆上，距離火星表面高度約2m，兩個相機間距24.2cm，用於提供立體視覺成像。該相機主要技術參數如下表：

桅杆變焦相機（MastCam-Z）具有強大的視覺成像功能。其主要特點有：1）它能挑選出保存了火星過去生命跡象的巖石，能夠協助科學家分辨出哪些巖石應該鑽取，哪些需要暫時存儲（Cache），哪些應該返回地球。2）它還能勘查火星車周圍巖石及土壤的特質，幫助我們尋找生命的跡象。3）科學家可以利用MastCam-Z尋找火星遠古時期湖泊、河流等與水相關的特徵。4）由於具有出色的變焦功能，MastCam-Z視覺成像功能相當強大。5）「毅力號」同樣繼承了「好奇號」360度彩色三維成像的自拍功能。

（2）火星環境動態分析儀（MEDA）

火星環境動態分析儀（Mars Environmental Dynamics Analyzer, MEDA）是一整套用於測量和監測火星表面風速、風向、溫度、相對溼度、壓力，以及火星大氣塵埃粒子大小和數量的傳感器。

火星環境動態分析儀（MEDA）將提供：火星每日天氣變化報告、火星輻射，以及火星風向和風速變換等信息，這將為載人登陸火星做好準備。其主要任務有：1）研究火星塵埃環境。2）輔助預測天氣。3）測量火星輻射。4）測量水蒸汽。5）MEDA將顯示火星塵埃及天氣如何對「毅力號」火星車的性能產生影響。

（3）火星氧氣原位資源利用試驗（MOXIE）技術演示

為了為未來載人探測火星做準備，NASA在「毅力號」火星車上搭載了MOXIE，用於在火星大氣中製備O2，作為未來航天員往返火星與地球之間的火箭推進劑燃料，以及火星表面生保系統所必須的O2。

MOXIE只是技術演示驗證設備，其大小只是相當於電動汽車的電池。然而，未來滿足載人火星任務的氧氣製備系統將是MOXIE的100倍。

（4）X射線巖石化學行星儀（PLXL）

X射線巖石化學行星儀（PLXL）由X射線螢光光譜儀和高解析度成像儀組成，用於繪製火星表面材料的精細元素組成圖。X射線光譜儀用於識別極小微粒的化學物質，高解析度成像儀用於拍攝巖石和土壤特徵。PLXL將提供比以往更詳細的化學元素檢測和分析能力。

PLXL主要功能是尋找火星遠古時期生命的跡象，它不但靈巧輕便，而且功能強大。其主要特點有：1）PLXL的X射線可以聚焦在小到一粒鹽大小的巖石上，並能分析出其巖石特徵，從而找到任何可能殘存的微生物生命跡象。2）PLXL性能遠超同類儀器，可以檢測多達20餘種的化學物質成分，即便含量只有百萬分之幾，它仍能精確地找到巖石中每種化學物質成分。

（5）火星亞表層雷達成像儀（RIMFAX）

火星亞表層雷達成像儀（RIMFAX）將提供釐米級火星亞表層地質構造特徵成像。

火星亞表層雷達成像儀（RIMFAX）是NASA首個測量火星亞表面雷達探測器。它將揭開火星亞表層地質構造。此外，探測火星10m以下的亞表層水、冰。

（6）利用萊爾曼及發光原理探測宜居環境中有機物和化學物質（SHERLOC）光譜儀

SHERLOC光譜儀主要用於探測礦物、有機物和潛在微生物。一臺高解析度彩色相機用於火星表面顯微成像；繪製礦物學和有機化合物圖。

（7）超級相機（SuperCam）

超級相機（SuperCam）是一個遙感載荷，包含有遙感光學測量和雷射光譜儀，可以提供遠距離成像（最遠7m）、化學成分分析和礦物學機理分析。包括4個光譜儀：雷射誘導剝蝕光譜儀、拉爾曼光譜儀、時間分辨螢光光譜儀、可見光和紅外反射光譜儀。同時，SuperCam的雷射能夠清除樣品表面的灰塵，從遠距離獲取灰塵下的表面物質信息。該載荷還含有彩色遠程微成像儀，能夠獲取高解析度的樣品影像。

3.4 「靈巧號」火星直升機

（1）主要目標

「靈巧號」火星直升機是一項技術演示驗證項目，也是首次在火星稀薄大氣中進行技術驗證飛行。「靈巧號」的主要目標是：1）在火星稀薄的大氣層中驗證有動力飛行的可行性。2）利用微型電腦、電子設備和其他部件驗證微型飛行技術。3）在接收到由「毅力號」火星車中繼通信指令後，「靈巧號」每次試飛都是在沒有地面任務控制人員實時控制的情況下進行的，從而驗證自主工作的可能性。

圖9 「靈巧號」火星直升機構想圖

（2）火星直升機構型

「靈巧號」是一架可自由飛行的飛行器，質量約1.8kg，高0.49m。兩片反向旋轉葉片，長度為1.2m，轉速2400rpm。機身尺寸為13.6*19.5*16.3cm，四條支腿長約0.384m，直升機機身離地面0.13m。「靈巧號」使用太陽電池翼供電，儲能電池為鋰離子蓄電池。在一個火星日中，可飛行90s，飛行期間平均功率350w。機身布局見下圖。

圖10 「靈巧號」火星直升機布局圖

「靈巧號」安裝有一臺中央計算機、慣性測量單元（IMU）、雷射高度計、傾斜儀、加速度計和陀螺，所有這些設備都被封裝在方形的絕緣體機身中。「靈巧號」攜帶了2臺成像系統：1臺30萬像素的寬視場全景導航相機，用於跟蹤直升機的位置；1臺1300萬像素的彩色相機，用於捕捉最低點到高於地平線的表面。2臺成像系統安裝在都在機身底部（沿名義飛行方向的垂直方位）。

圖11兩臺成像系統的安裝位置

（3）火星直升機的展開

在展開飛行前，直升機以摺疊狀態部署在火星車的底部。在著陸後50-80個火星日後，當地面操作人員選擇好合適的展開地點，直升機將會在光滑、平坦、巖石相對較少的區域展開。火星直升機的展開地點要求不小於10m*10m的區域，因為直升機還需要進行3次著陸。此外，必須對直升機展開區域的斜坡和巖石進行準確的測量。儘管在軌數據沒有足夠的解析度來評估這些需求，但可用的數據表明，在Jezero隕石坑內應該有相對較多的平坦和巖石較少的區域。當直升機展開後，火星車將駛入安全區域，對直升機進行拍照。

（4）火星直升機的工作

在飛行期間，直升機將通過基站與火星車通信，並拍攝表面圖像。通過直升機的運動可以獲得立體圖像。地面操作人員使用著陸前獲得的圖像來定位直升機的相對位置，為下一次飛行做準備。飛行期間獲取的數據存儲在直升機的非易失性存儲器中，之後再傳輸到火星車上，再由火星車中繼通信傳輸給地球。按計劃，直升機在一個月內將執行5次飛行試驗，飛行難度一次比一次複雜。

在執行下一次飛行任務前，太陽能電池翼將為鋰離子蓄電池充足電。直升機拍攝的圖像，可以與在軌高解析度圖像和火星車拍攝的圖像相互參照，重新規劃飛行路徑。火星直升機還提供了另一種獨特俯視圖像，用於研究火星地質和地貌，其解析度介於在軌高解析度圖像和火星車圖像之間。

圖12「靈巧號」火星直升機操作圖

4 「火星2020」任務階段

4.1發射及巡航段

本次任務的發射窗口為2020年7月20-8月11日，由「宇宙神-5」541在卡納維拉爾角空軍基地發射升空，預計著陸時間為2021年2月18日。

發射之後，將經歷約213天的地火巡航。巡航期間將執行3次軌道修正機動，在最後抵達火星的前45天，將執行2次軌道修正機動。

4.2 進入、下降及著陸段（EDL）

4.2.1 EDL過程

EDL階段從進入火星大氣層頂部開始，直至火星車安全著陸到火星表面結束，歷時7分鐘。整個EDL過程包括大氣層進入段、降落傘減速段、動力下降段、空中吊車段，詳見下圖。

大氣層進入段：

初始進入階段環境變化快，不確定因素多，在很大程度上決定了著陸的成功與否。該階段最關鍵的因素是高精度的制導導航與控制。在進入段，沿用了「好奇號」的進入制導技術，即通過控制滾轉角改變升力方向，達到控制飛行軌跡的目的。在進入大氣層前10分鐘，與巡航級分離。之後，巡航級質量配平裝置分離。進入開始約80s後，達到峰值溫度。

降落傘減速段：

降落傘下降段的難點在於低密度、超聲速條件下的開傘。降落傘在超聲速條件下存在開傘困難、開傘不穩定、阻力係數下降等問題。「火星2020」採用了一項新技術——距離觸發（RangeTrigger），用來精確計算降落傘展開時間。

「火星2020」降落傘在進入後約240s後開傘，展開後直徑約21.5m，此時距離火星表面高度約為9-13km，速度約420m/s。降落傘打開後20s，熱防護罩分離。此時距離火星表面高度7-11km，速度約160m/s。355s時，測高雷達開啟，著陸視覺系統工作，此時距離表面4.2km。之後背罩分離，高度約2.1km，速度下降到80-110m/s。

圖13 「火星2020」EDL過程

動力下降段：

在動力下降段，下降級上8個著陸發動機點火。下降速度由110m/s下降到0.75m/s，高度由2100m下降到20m。動力下降段狀態變化比較平緩,導航測量信息多且精度較高,影響著陸精度的主要是制導控制精度。

空中吊車段：

410s後進入空中吊車段，該階段沿用了「好奇號」空中吊車技術，這種技術相比氣囊和支腿式著陸具有很多的優勢：一是兩個機體結構遠離火星表面，最大程度減少表面接觸；二是採用纜繩設計，著陸速度較低，著陸穩定性和衝擊負荷優於其他著陸系統。

空中吊車著陸過程：

著陸操作開始後，下降級保持0.75m/s的下降速度，同時以0.75m/s的速度釋放纜繩和火星車。當吊索（7.6m）完全釋放以後，繼續保持0.75m/s的下降速度，直到火星車著陸（Touchdown），然後斷開弔索，下降級飄離（FlyAway）。

4.2.2 EDL採用的新技術

在EDL過程中，除了沿用「好奇號」著陸技術之外，「火星2020」任務採用了距離觸發技術、地形相關導航技術、火星EDL著陸儀器-2等新技術。

（1）距離觸發技術

距離觸發（RangeTrigger）是「火星2020」任務採用的一項新技術，用來精確計算降落傘展開時間。在EDL期間，根據位置導航信息，自主更新降落傘展開時間。採用距離觸發技術最大優勢在於，能縮小著陸橢圓的範圍。

之前的火星著陸任務，著陸精度相對較低，要花幾周甚至幾個月的時間才能行駛到主要目標地點。距離觸發技術可以將著陸橢圓區域面積縮小50%以上。基於該項技術，也可以使下一次火星著陸任務更接近樣本緩存站點。以下圖為例，紅色橢圓表示採用距離觸發技術的著陸橢圓，藍色表示「好奇號」的著陸橢圓。從圖中所示，著陸精度明顯提高。

圖14 「火星2020」任務採用的距離觸發技術

（2）地形相關導航技術

地形相關導航技術（Terrain-RelativeNavigation,TRN）是一種創新的EDL技術。從科學目標而言，科學家最感興趣的探測地點可能位於複雜的地形中，可能保存著火星上過去生物生命的跡象，然而從工程角度來看，可能對於著陸而言風險很大。很多潛在的著陸點都是無法進入的。採用距離觸發技術，當在下降過程中探測到複雜地形，可以自主轉向更安全的著陸區（見圖15）。

火星軌道器在軌拍攝了火星地形照片，並創建了包括已知危險在內的著陸點地圖，存儲在「毅力號」火星車的計算機內。在降落傘下降段，「毅力號」火星車會拍攝快速下降的照片，並將照片中的地標與存儲在計算機中的地圖進行快速比較。如果它正駛向直徑約300m的危險區域，火星車可自主改變方向，在安全的區域著陸。

圖15 「火星2020」著陸新技術

在之前的著陸任務中，EDL的估算誤差大約為1-2km，在進入大氣層期間估算誤差增長到約2-3km。利用地形相對導航技術，「毅力號」火星車在降落傘下降段估算其的位置，誤差精度可以提高到600m。

（3）火星EDL著陸儀器-2（MEDLI-2）

火星EDL著陸儀器-2（MSLEntry,DescentandLandingInstrument）是在MSL任務的基礎上開發的第二代傳感器套件。「好奇號」上的MEDLI儀器只收集了防熱罩（前罩）上的數據，MEDLI-2將收集防熱罩（前罩）和背罩上的溫度、壓力和熱等數據。一方面，這些數據幫助工程師驗證設計的模型，以改進未來任務中的EDL系統。另一方面，MEDLI-2和火星環境動態分析儀（MEDA）測得的大氣數據可以幫助了解火星大氣密度和風，對於降低無人任務和未來的人類火星任務的風險至關重要。

圖16 「好奇號」火星車上的MEDLI（MEDLI-2與其類似）

4.3 表面操作段

「毅力號」火星車表面操作段是最具特色的，與之前的巡視任務不同，作為火星採樣返回的首次任務，「毅力號」將採用「樣本緩存」（Cache）的方式在火星表面開展工作。所謂的「樣本緩存」，是指火星車在找到感興趣的樣本之後，將其存放在樣本採集點，待下一次火星任務再將其帶回地球。具體見下圖：

圖17 「毅力號」火星車表面操作示意圖

紅色*為火星車著陸點，藍色為存在感興趣樣本的區域，位於中間的藍色站點作為樣品緩存點（在「毅力號」收集到樣本後，存在此處）。在主任務期間，「毅力號」沿著白色實線行駛；在拓展任務中，火星車將沿著白色虛線前往其他感興趣的區域，收集更多的樣本。

「毅力號」在火星表面操作段的主要工作目標是：一是尋找具有科學價值的巖石，這些巖石在火星遠古時期微生物存在的環境下形成或演化而成；二是找到能夠保存火星遠古時期生命化學痕跡（生物特徵）的巖石；三是從大約30個目標巖石和土壤（風化層）中鑽取巖芯樣品，並將它們臨時存放在火星表面的緩存站點；四是驗證火星ISRU技術，即從火星二氧化碳大氣中生產氧氣的技術，以支持未來的載人火星任務。

具體工作步驟如下：

（一）找到具有科學價值的巖石

首先，確定有希望發現生命跡象的巖石目標，選擇範圍主要是那些在水中形成或被水改變的巖石（這些巖石中有希望發現有機分子，它們是構成生命體的主要化學物質）。一些特殊類型的巖石可以保存數十億年的生命化學痕跡。除了這些特殊的巖石外，火星車還收集火山巖和其他巖石，以幫助建立隨著時間的推移而形成的地質記錄和環境變化記錄。

（二）收集巖石樣本

一旦科學家確定了感興趣的巖石目標，「毅力號」火星車就會從中鑽取出一個巖芯樣品，在鑽頭的旋轉衝擊下，可穿透深至5cm。

（三）巖石樣品封裝

火星車將鑽取的巖芯樣品收集在樣本管中（SampleTube）,並進行封裝。每個樣本管大約可存放約15g樣本。

（四）樣本轉運

封裝後的樣本管臨時安放在「毅力號」上的儲藏架上，由地面任務管理人員決定何時何地將其轉運到指定的樣本存放地點。

（五）樣本緩存

「毅力號」火星車將樣本放在火星表面的同一位置（如上圖中間藍色位置），以便在未來任務中再次獲取，並將其帶回地球。「毅力號」火星車可以緩存超過30個選定的巖石和土壤（風化層）樣品。在軌的火星軌道器（成像精度約為1m）將協助尋找樣本位置。

5 結束語

人類火星探測經歷了半個多世紀，取得過輝煌的成就，也有過痛苦的失敗。隨著科技的迅猛發展，火星不再是少數幾個國家光顧的場所，越來越多的新興航天國家也嚮往著這顆神秘的星球。今年我們也開啟了首次獨立火星探測——天問一號。後續的火星著陸（EDL）「暗戰」將在中美之間展開，恰似當今世界形勢，可見航天是國家實力的延伸之言不虛。美方選手是經驗豐富的噴氣推進實驗室（JPL），中方選手是在火星探測上初露鋒芒的中國航天科技集團院）。

如果中國此次任務成功，將成為世界上首個通過一次任務就實現火星「繞、落、巡」的國家，至此中國航天在火星探測上的技術水平將一步超越歐、俄（蘇聯）、日本、印度、阿聯，直接靠齊美國。

如果美國此次任務成功，將繼續鞏固其在火星探測上的領先地位，更重要的是將為後續的火星採樣返回任務拉開序幕，地球上的人類有望首次獲得主動採樣而來的火星樣本。

火星之路從來就不是一番風順，但人類探索未知的腳步從未停止。謹以此文，向全球的火星工作者致敬！預祝2020年火星任務取得圓滿成功！

（全文完）